有源电力滤波器的仿真研究

论文总字数：25252字

摘 要

随着科学技术的飞速发展，电力作为主要的能源推动着社会的不断前进。各种电力电子器件和大量的非线性负载应运而生，给电网带来的谐波污染也是越来越严重。从20世纪以来，全球各个国家都在探索如何去滤除和抑制谐波污染，从无源滤波器到现在的有源滤波器，包括无源滤波器和有源滤波器搭配使用的混合滤波器逐渐走进我们的视野。而有源滤波器凭借其良好的动态性能，能够实时根据谐波情况进行自我调节，已经逐渐成为电能质量调节方面研究的主要目标。

本文主要针对三种非线性负载（单相、三相三线制和三相四线制）的电网电路运用有源滤波器进行谐波抑制。有源滤波器能够实现其基本功能的主要难点就是谐波电流的检测技术和电流跟踪控制电路，所以本文从这两个本分为主要探讨内容，分析不同技术方法的优缺点，选取出合适的检测和控制技术运用到不同的非线性负载电网下。在设计出完整的电路图，最后通过MATLAB/SIMULINK进行有源滤波器的仿真，根据仿真结果调整电路参数，直到得到满意的结果。

关键词：有源滤波器；三种非线性负载；谐波电流检测；电流跟踪。

Abstract

With the rapid development of science and technology, electricity as the main energy to promote the continuous advancement of society. Various power electronic devices and a large number of non-linear loads have emerged, and the harmonic pollution brought about by the power grid has become more and more serious. Since the 20th century, various countries around the world have been exploring how to filter out and suppress harmonic pollution from passive filters to current active filters, including hybrid filters that use passive filters and active filters. Gradually into our vision. The active filter, with its good dynamic performance, can self-adjust in real time according to harmonic conditions, and has gradually become the main target of research on power quality regulation.

This article mainly focuses on three types of non-linear load (single-phase, three-phase three-wire and three-phase four-wire) grid circuits using active filters for harmonic suppression. The main difficulty of the basic functions of the active filter is harmonic current detection technology and current tracking control circuit. Therefore, this article is divided into two main discussions, analyzes the advantages and disadvantages of different technical methods, and selects the appropriate Detection and control techniques are applied to different non-linear load grids. In the design of a complete circuit diagram, the final simulation of the active filter by MATLAB/SIMULINK, according to the simulation results to adjust the circuit parameters until a satisfactory result.

Key words：active filter；three kinds of nonlinear loads；detection of harmonic current；current follow

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1．1谐波污染的提出及危害 1

1.1．1 谐波和无功的定义 1

1.1.2 谐波电流和无功功率的危害 1

1.2 谐波和无功电流的治理措施 2

1.2.1 无源滤波器的发展和不足 2

1.2.3 无源滤波器的简单结构 2

1.2.4 有源滤波器的优点 2

1.2.5有源滤波器的现状及其发展趋势 3

1.3本课题研究的主要内容 3

第二章 有源滤波器的工作原理和相关结构 4

2．1有源滤波器的工作原理 4

2．2 有源滤波器的分类情况 5

第三章 谐波电流和无功检测方法 6

3．1 基于单位功率因素的谐波检测方法 6

3．2 基于快速傅式变换的频域分析的检测方法 8

3．3 基于瞬时无功功率的检测方法 9

3．3．1 p-q检测法 9

3．4 基于自适应圆法的谐波电流检测法 11

3．5 基于神经网络控制检测法 11

第四章 电流控制方式 12

4．1 滞环比较控制方式 12

4．2 三角载波比较控制方式 13

第五章 APF直流侧电容电压的稳定策略 14

5．1 直流侧电容稳压原理 14

5.2 直流侧稳压的注意点 15

第六章 有源滤波器的仿真 16

6．1 单相非线性负载的仿真 16

6．1．1 电网电压源和单相非线性负载的仿真 16

6．1．2 谐波及无功电流检测的仿真 18

6．1．3 电流跟随环节的仿真 20

6．1．4 单相非线性负载的整体仿真 20

6．2 三相三线制非线性负载的仿真 21

6．2．1 三相电源和三相非线性负载的仿真 21

6．2．2 谐波及无功电流检测的仿真 22

6．2．3 基于UPF算法三相三线制非线性负载的总体仿真 24

6．2．4 基于瞬时无功功率算法的仿真 26

6．3 三相四线制非线性负载的仿真 28

6．3．1 三相电源和负载的仿真 28

6．3．2 谐波及无功电流检测的仿真 29

6．3．3 三相四线制系统的整体仿真 30

6．3．4 补偿前后A相电网电流的傅立叶分析 32

第七章 总结与展望 33

第一章 绪论

现如今电力电子技术飞速发展，各种电力电子设备也是如雨后春笋一般孕育而出。换言之，其本身存在的各种非线性负载含量所占的比重也愈来愈多，电网的谐波污染也越来越严重，严重影响了相关电力设备的正常运行，进而影响到社会生产和生活，这就对电网的电能质量的要求提出了新的挑战。这也成为了一个全球性问题，从20世纪以来，各国的研究人员不断探索新方法、新技术。

从最开始的无源滤波器到后来的有源滤波器的产生到现在有源滤波器和无源滤波器结合使用形成的混合滤波器，研究人员可以说已经对电网的谐波污染的处理方式有了自己的心得。但是非线性负载多钟多样，如何针对不同的非线性负载提出对应的解决方案或者说对于混合型的非线性负载提出一种总的解决方案是一个难点问题。但是，有源滤波器已经成为一种发展趋势，必将在谐波污染治理上提供可靠的解决方案。

1．1谐波污染的提出及危害

1.1．1 谐波和无功的定义

根据电路理论得到：

（1-1）

（1-2）

功率因素为：

（1-3）

也就是说当所需要的有功功率一定时，功率因素越大，所消耗的无功功率就越小，电能的利用率也就越高，设备的制造容量也就越小。因此，功率因素这个概念反映出了设备对电能的有效利用情况和电力设备制造的经济性。

对现代社会电网电流进行相关的傅立叶分解会发现：分解量除了电网自身的基波分量以外，还有许多与基波频率成整数倍的其余分量，这些电流分量被统称为谐波。也就是说电网的电流并不是一个完美的正弦波，而是一个由基波分量和整数倍于基波的谐波分量组成的电流。谐波电流会对电网产生一系列的不良影响，影响电网的正常运行和各个用电设备的安全稳定运行。谐波电流的来源是因为正弦分量的电压施加到一些非线性负载时，由于负载电感、电容等元器件的存在，产生的电流会发生畸变。

1.1.2 谐波电流和无功功率的危害

由于正常的电力电子设备都是在工频正弦交流电下额定运行，所以当谐波电流的出现势必会影响到电力设备的正常稳定运行，对电网和用电设备的危害主要有以下几点：

1. 无功功率的增加，提高电网的电流和视在功率数值，导致设备容量增加，增加了制造成本。
2. 无功功率的增加导致的电流的增加会设备和线路的不必要损耗。
3. 无功功率的增加会导致相关设备电压增加，如果对应的是冲击性无功功率负载的话，会导致电网电压剧烈的波动，严重影响到电能质量。
4. 谐波电流的产生会导致元器件额外的谐波损耗，但数值较大时可能加快设备和元器件老化的速度，引起火灾等。
5. 谐波电流的出现影响了各种元器件和设备的正常工作，降低了设备的工作效率。
6. 谐波电流的出现可能导致电网产生不可避免的并联谐振和串联谐振，从而使谐波电流进一步被放大。
7. 谐波电流的出现会影响相应的继电保护装置等产生误动作，对电网的影响是巨大的，还会影响电气测量设备的测量误差产生。
8. 谐波电流的出现会对附近的通信系统和反馈系统造成干扰，影响甚至是中断他们的通信连接。

针对上述的问题的出现就需要提出相关的解决方案去消除和抑制谐波和无功电流。

1.2 谐波和无功电流的治理措施

1.2.1 无源滤波器的发展和不足

无源滤波器，又称之为LC滤波器，因为其是由电容电感和电阻组成的滤波电路，结构简单能够滤除指定次数的谐波分量。它利用了电容、电感等元件的谐振特性，使构成低阻抗回路，从而降低流向电网的谐波电流。

1917年，美国和德国的科学家发明了LC无源滤波器，从而导致了第一个多路复用系统的出现。后来，无源滤波器的技术日趋成熟，从20世纪60年代计算机技术，半导体技术和集成电路技术的出现，LC滤波器朝着小体积、低功耗、稳定性等方面迅速发展，从而使更多相关具有同种功能的滤波器出现在人们的视野比如：数字滤波器、开关电容滤波器等。

但是无源滤波器的不足也是非常明显的：

1. 无源滤波器一旦制成，其参数很难改变，所以当电网参数变动时，可能导致滤波器无法工作或者工作效果不理想。
2. 无源滤波器的工作受外界条件变化影响很大，比如当温度或者原件老化时，其工作效率会大大降低。
3. 由于无源滤波器只能滤除指定次数的谐波，所以通常在一个电路中需要设置多组LC滤波电路，经济性很差。
4. 由于无源滤波器由LC电路构成，可能会于电网发生串联谐振，会使相应的高次谐波放大，加重谐波污染，这对电网运行是很不利的。
5. 当谐波源谐波电流增大时，会增加无源滤波器的负担，严重时可能使滤波器过载，使滤波电路近乎瘫痪不起作用。
6. 无源滤波器制造需要大量的有效材料，构成体积会很大。

1.2.3 无源滤波器的简单结构

图1-1 无源滤波器的简单结构

1.2.4 有源滤波器的优点

电力有源滤波器又称为APF，它是一种能够实时、动态的抑制谐波电流，补偿无功功率的新型滤波器类型，也就是说：它能够对频率和幅值都变化的谐波电流进行有效的补偿，同时还能够补偿变化的无功功率。之所以称为有源滤波器是因为该滤波器需要电源供电用以进行谐波补偿，它能够克服传统的无源滤波器的缺点，在谐波电流抑制中逐渐成为主流选择。

其主要的有点如下：

1. 其滤波性能基本不受系统阻抗参数等的影响，可以避免与电网发生串联谐振。
2. 有源滤波器能够实时检测电网谐波电流，做到动态调节电网电流维持在正常水平。
3. 有源滤波器能够调节变化的谐波电流和无功，不需要像LC滤波器那样针对不同频率的谐波电流进行分别补偿。
4. 体积更小，采用DSP进行智能控制，系统集成程度高，节约了环境面积。

1.2.5有源滤波器的现状及其发展趋势

在20世纪70年代，有关的研究学者就已经提出了有源滤波器的相关理论并描述了其拓扑结构，但是当时由于受到功率半导体器件技术的不足以及相关的控制策略和电流检测方法的限制，有源滤波器的研究一直是处于实验性阶段，能离真正投入使用还需要走太多太多路。

随后的80年代，由于运放等新型半导体器件的出现和不断发展，加上基于瞬时无功功率的检测谐波电流理论的提出，为有源滤波器的迅速发展提供了良好的环境。由于有源滤波器的动态调节谐波和无功特性等优点，从20世纪80年代以后，有源滤波器一直是科研人员研究的重要课题。

现在的有源滤波器技术可以说是已经相当完善，但是随着各种新型的算法以及控制策略的出现，让研究人员有了更多的选择余地，如何良好的结合这个算法和控制策略，使有源滤波器的滤波性能最优化，并且还可以保证一定的经济性，是现在关注的重点。目前国外的相关学者已经提出了有关有源滤波器和无源滤波器组合而成的混合型滤波器的文章，充分结合了两个的优点，这种混合滤波器也将成为一种新的发展趋势。并且与静止无功补偿器(SVG)搭配使用的策略也逐渐步入人们的视野^[1]。

1.3本课题研究的主要内容

本文将会简单介绍有源滤波器的相关概念和原理，比较几种谐波电流检测方法的优缺点和三角波比较与滞环比较控制策略的比较。本文的主要的研究重点是针对三种非线性负载运用基于单位功率因素的的检测方法和滞环比较的控制策略的有源滤波器。最后在理论的基础上运用MATLAB/SIMULINK进行实际仿真，通过实验结果调节相关参数，最终得到满意的滤波性能。

第二章 有源滤波器的工作原理和相关结构

2．1有源滤波器的工作原理

下图为有源滤波器的基本结构，APF即为有源滤波器，实现谐波滤除的功能。非线性负载为谐波源，产生谐波电流和消耗无功功率。电源连接线上的电感为发电机电感及电源网络电感，其数值较小。下一部分为RLC电路，主要用于电网中的高次谐波^[2]。

图2-1 有源滤波器的简单结构图

下图为APF的具体模块的结构，谐波指令运算电路只要是计算出电网中的谐波电流和无功分量。电流跟随电路是由一个闭环系统不断比较指令电流和实际补偿电流，然后产生一系列的PWM波去驱动功率开关管的工作，从而得到与指令电流大小一样，但是功率足够的补偿电流。

APF的基本工作原理是：通过采集电路中相关电流电压数据，通过指令运算电路计算出电路中的谐波电流和无功分量，再通过一个闭环系统实时检测指令电流和实际补偿电流的误差提供一系列的PWM触发脉冲去控制PWM主电路中的功率开关管，使功率开关管产生实际的补偿电流输送到电网中，与实际的谐波电流和无功相抵消，达到滤除谐波的功能。

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